Спасибо, что вы с нами!

Надежды на странное

Физики подтвердили рождение бозона Хиггса с участием t-кварка и t-антикварка, но всем от этого скучно. Где искать аномалии?

Физики, работающие с Большим адронным коллайдером, подтвердили давно предсказанный Стандартной моделью процесс — рождение бозона Хиггса с участием пары из t-кварка и t-антикварка. Но если открытие самого бозона Хиггса стало пусть ожидаемой, но все-таки сенсацией и Нобелевской премией, то это открытие прошло второстепенной новостью даже среди специалистов. Физикам уже не очень интересно подтверждать то, что предсказала и описала теория. «Чердак» кратко рассказывает о том, насколько полна Стандартная модель и где в ней пытаются найти трещинки.
Добавить в закладки
Комментарии
...

Простой ответ на вопрос о том, почему «второе рождение бозона Хиггса» не вызвало и сотой доли той реакции, звучит так: в возможности появления частицы в процессе с участием топ-кварков никто особо и не сомневался. И сами топ-кварки (открытые в 1994 году на американском Тэватроне), и бозон Хиггса (2012 год, ЦЕРН) на сегодня уже достаточно знакомы физикам, поэтому ничего принципиально нового ученые не выяснили. Проводя аналогию, можно сказать что обнаружение ранее неизвестной планеты в Солнечной системе потянет на сенсацию, а вот информация о крайне низких температурах на ее поверхности вряд ли кого-то всерьез заинтересует. Вот если бы транснептуновый объект оказался разогретым, это было бы гораздо интереснее.

Хотя, если развить аналогию с планетой, измерение температуры поверхности удаленного небесного тела тоже довольно значимый результат с точки зрения техники астрономических наблюдений. В сообщении коллаборации ATLAS (группа физиков и инженеров, работающая с одноименным детектором на коллайдере) от 4 июня 2018 года подчеркивается, что ученые зафиксировали очень редкое событие и провели едва ли не самую надежную проверку Стандартной модели.


По горизонтали — масса регистрируемых детектором частиц (измеряется в гигаэлектронвольтах, ГэВ. 1 ГэВ — примерно один протон). По вертикали — число событий. Появление пика в районе 125 ГэВ указывает на процесс с участием частицы такой массы (а это как раз бозон Хиггса); анимация показывает, как набиралась статистика со временем. Иллюстрация: ATLAS Collaboration/CERN

На сегодняшний день — и в планах на 2020-е годы, после модернизации ускорителя — БАК для физиков больше не инструмент для поиска давно предсказанных Стандартной моделью частиц или реакций между частицами. Используя самый мощный на сегодня коллайдер, исследователи надеются найти что-то, что указывало бы на неполноту СМ — какие-либо процессы, протекающие «неправильным» образом.

Наиболее полный перечень потенциальных аномалий будет представлен в ближайший месяц на конференции ICHEP2018 в корейском Сеуле с 4 по 11 июля, но уже сейчас можно выделить несколько многообещающих событий, связанных с превращением мезонов в другие частицы с образованием лептонных пар.

Частицы и где они обитают

Стандартная модель, если оставить за бортом всю математику, выглядит довольно просто. Вся материя состоит из кварков и антикварков, а также лептонов и антилептонов. Кварки тяжелые, а лептоны легкие; из кварков собраны протоны, а электрон — пример лептона. Обычные атомы вокруг состоят исключительно из кварков двух видов (d- и u-, от down и up, «нижний» и «верхний») вкупе с электронами, все остальное либо возникает при весьма экзотических условиях, либо трудно обнаруживается на практике.

Изображение: Анатолий Лапушко/ Chrdk

Кварки, обозначаемые s-, с-, t- и b- (strange, charmed, top/true и bottom/beauty), появляются только при столкновении частиц с другими кварками — и очень быстро, вплоть до времени порядка 10-25 секунд, снова превращаются в другие кварки. Сочетаний кварков известно на сегодня порядка сотни и такие названия, как «нейтральный каон», «пи-плюс мезон» или вовсе обозначения вида «φ(1020)» относятся к конкретным короткоживущим комбинациям.

На более фундаментальном уровне физики выделяют мезоны как комбинацию «кварк-антикварк» и состоящие из трех кварков барионы.

Протон (uud, два u-кварка и один d-кварк) и нейтрон (ddu) относятся к барионам, так что словами «барионная материя» физики обозначают в первую очередь «классическое» вещество — в масштабе Вселенной это водород, гелий, межзвездная пыль и, разумеется, звезды с планетами.

К стабильным частицам также относят нейтрино и антинейтрино. Эти частицы насчитывают три (а возможно, и все четыре) типа, они возникают в ходе ядерных реакций с превращением нейтрона в протон или, если смотреть глубже, при превращении d-кварка в u-кварк. Нейтрино и его античастицы очень неохотно взаимодействуют со всей материей, поэтому поток нейтрино свободно проходит через планеты и звезды насквозь.

С возможным четвертым типом нейтрино, стерильным, кстати, связаны надежды на Новую физику, но для этого его нужно поймать. Ловят его уже много лет и недавно, казалось бы, таки поймали в Фермилаб, но к результатам научное сообщество пока присматривается с недоверием. Подробнее об этом сюжете — в материале «Модная частица».

Поля и их кванты

Всей этой россыпи частиц еще недостаточно для построения Вселенной. Чтобы соединить те же кварки в барионы или хотя бы мезоны, чтобы электроны не улетали от атомных ядер, требуется кое-что еще — электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия (а вот гравитации в Стандартной модели нет, она никакой роли в мире этих частиц не играет).

Все взаимодействия осуществляются за счет частиц, называемых бозонами, или квантами поля. В случае с электромагнитным взаимодействием это фотон (он же частица света), у сильного поля это глюоны (от glue — клей), а слабое взаимодействие, ответственное за превращения кварков, имеет сразу несколько бозонов. Это W-бозоны двух видов (с положительным и отрицательным электрическим зарядом) и Z-бозон, у которого электрический заряд отсутствует. При этом глюоны, W- и Z-бозоны имеют ненулевую массу и не могут слишком далеко отлетать от места рождения; создаваемые ими силы по этой причине ограничены пределами атомного ядра или даже непосредственными окрестностями конкретного кварка.

За появление массы в Стандартной модели отвечает последний бозон, обозначаемый H0. Это тот самый бозон Хиггса, который искали дольше всего, но все-таки нашли; хиггсовские бозоны мешают ряду других частиц двигаться с ускорением и за счет этого создают инертную массу. Если бы не бозон Хиггса, все частицы не имели бы массы, а Вселенная приняла совершенно иной вид: в ней были бы иные свойства полей и, скорее всего, — никаких атомов с молекулами.

Рождение частиц

За счет сильного взаимодействия кварки нельзя получить в одиночном состоянии. Притяжение между кварками усиливается по мере их отдаления друг от друга, и, как только оно достигает критического значения, часть энергии этой системы из двух растянутых кварков с глюонами между ними превращается в новую пару из кварков. Таким образом новые кварки могут буквально рождаться из ниоткуда — была бы вложена достаточная энергия. Это происходит, например, при столкновении протонов в коллайдере.

Рождение новых кварков приводит к появлению составных частиц, которые живут крайне недолго и распадаются (в несколько этапов) на большое количество электронов, нейтрино и их античастиц; кроме того, некоторые распады могут давать, к примеру, обычные протоны; все это за считанные микросекунды разлетается и застревает в детекторах вокруг места столкновения. Анализируя показания детекторов, физики могут проследить траекторию частиц, восстановить весь каскад событий и сделать выводы относительно исходного процесса, если, конечно, детекторы записали достаточно информации.

Проблема с этой реконструкцией заключается (если опустить чисто технические детали вида «как поймать все частицы») в том, что одно и то же событие — скажем, распад какой-нибудь промежуточной частицы — может пройти несколькими различными путями. И поэтому когда физики говорят об обнаружении, скажем, распада Bs→ϕμμ, это значит не просто то, что им удалось зафиксировать превращение странного B-мезона (s-кварк + b-антикварк) в фи-мезон (пара s-кварка и s-антикварка) с двумя мюонами. Это значит, что детектор зарегистрировал достаточно большое число событий, которые практически однозначно интерпретируются именно как подобный процесс. Так как и фи-мезон, и мюоны тоже быстро распадаются, физики в итоге видят не одну реакцию, а целые ливни частиц, разлетающихся в разные стороны.

Аномалии и статистика

Универсальные законы физики вроде закона сохранения энергии и импульса позволяют понять, куда должны лететь те или иные частицы, а более узкие правила Стандартной модели ограничивают разнообразие всех получаемых в процессе мезонов, барионов и тех лептонов, в которые превращаются эти короткоживущие частицы. То, что ряд реакций протекает не наверняка, а лишь с определенной вероятностью, картину запутывает, но накопление статистики позволяет изучать и такие процессы.

Аномалии, которые на сегодня зафиксированы физиками в ЦЕРН, касаются как раз эффектов, связанных с вылетом лептонов в некоторых процессах, связанных с превращением тяжелого b-кварка в более легкий s-кварк. Собранные к концу 2017 года данные показывали, что иногда — причем в строго определенных процессах — наблюдалось идущее вразрез с теорией соотношение между разными видами лептонов, а также «неправильное» направление движения частиц. Возможно, за этим стоят какие-то неизвестные эффекты, а может быть, это следствие недостаточно большой статистики: физики случайно увидели редкую, но не скрывающую ничего нового комбинацию событий.

Проводя аналогию, можно сказать, что выпадение шести «орлов» подряд при подбрасывании монеты является редким событием, но оно еще необязательно указывает на несимметричность монеты или особенности броска.

Теория вероятности говорит нам, что шесть «орлов» выпадает с вероятностью ½6, то есть в 1,5625% случаев. Анализ потенциальных аномалий в ЦЕРН дает даже чуть меньшую вероятность случайного совпадения, однако ученые уже неоднократно сталкивались с тем, как по мере получения новых результатов такие маловероятные события переставали воспроизводится и оказывались именно следствием редкого стечения обстоятельств.

У специалистов по физике элементарных частиц на сегодня едва ли не самые строгие критерии отсечки открытия от случайности. Об обнаружении бозона Хиггса, к примеру, сообщили, только когда вероятность сделать ошибку и принять за проявление этой частицы какие-то иные эффекты упала до 0,0000000001% — о подобной достоверности биологам, медикам и уж тем более социологам с психологами остается только мечтать. На предстоящей конференции ICHEP2018 многообещающие аномалии могут быть как «закрыты», так и переведены в разряд если не открытий, то по меньшей мере более достоверных кандидатов в оные.

Добавить в закладки
Комментарии
...
Вам понравилась публикация?
Расскажите что вы думаете и мы подберем подходящие материалы